ماذا سيحدث إذا كان حقل هيجز صفرًا

يعد مجال هيجز موضوعًا مهمًا لدرجة أنه يستحق حتى مجمعًا تجريبيًا كاملاً ، مصادم هادرون الكبير ، المصمم لدراسته. هذا المجال الغامض في المتوسط ​​لا يساوي الصفر ، فهو يغطي الكون بأكمله ، كما لو كان سائلاً غير مرئي ، ويؤثر على كتل الجسيمات الأولية المعروفة. ولكن ماذا لو كان متوسط ​​الصفر؟ كيف سيكون عالمنا؟

سيكون مميتًا بالنسبة لنا - لن تكون هناك ذرات - ولكن إلى حد ما سيكون أكثر بساطة وأفضل تنظيمًا. دعونا نرى كيف بالضبط.


التين. 2

خذ صورة. 2 من مقال عن الجسيمات المعروفة (يجب قراءتها قبل هذه المقالة). يصور الجزيئات الأولية المعروفة في الطبيعة و هيجز من النموذج القياسي. تشير الخطوط إلى الجزيئات التي تؤثر على بعضها البعض. يمكنك أن ترى ثلاثة من التفاعلات الأربعة المعروفة للطبيعة (يتم استبعاد الجاذبية للوضوح): تفاعل قوي (مع gluons كحاملات) ، الكهرومغناطيسية (ناقل - فوتون) ، تفاعل ضعيف (حاملات - W و Z). يمكن ملاحظة أن النيوترينوات واللبتونات المشحونة والكواركات لا تتفاعل مباشرة مع بعضها البعض ، فهي تتأثر فقط بالناقلات التفاعلية. وأخيرًا ، يؤثر حقل هيجز ، غير الصفر في الكون ، المشار إليه بالحقل الأخضر ، على جميع الجسيمات الأولية الضخمة المعروفة ، وهو في الواقع مسؤول عن وجود الكتلة.


التين. 3

قارن هذا بالتين. 3 ، الذي يصور عالم الجسيمات التي كانت موجودة إذا كان حقل هيجز صفرًا. راقب بعناية وسترى العديد من الاختلافات!

• بدلاً من التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة الموجودة في عالمنا مع حقل هيجز غير الصفر ، في عالم به حقل صفري سيتم إعادة توزيع وتشويه هذه القوى. تسمى القوات المحولة hypercharge و isospin (لأسباب تاريخية ؛ لا تحمل الأسماء أي معنى).
• أثناء إعادة الترتيب هذه ، تتغير جزيئات التفاعلات الحاملة أيضًا. ظهرت 3 جسيمات W وواحد X ، واختفى Z ⁰ والفوتون. والجسيمات W و X الآن بلا كتلة.
• أصبحت حاملات التفاعل أسهل بمعنى آخر. يؤثر الفوتون على الجسيمات W ⁺ و W ^- مباشرة ؛ يظهر هذا في الشكل. 2 ، حيث يتم توصيلها بخط أرجواني. لكن جزيئات X لا تؤثر مباشرة على جسيمات W. وتؤثر gluons على نفسها كما كانت من قبل (الخط المنحني الأحمر ؛ W يؤثر أيضًا على أنفسهم ؛ X لا يؤثر على أي حاملات تفاعل.
• لكل جسيم من المواد (باستثناء النيوترينوات) يوجد الآن جسيمان بنفس الاسم. لكنهما يختلفان - مثل أرنولد بالمر وأرنولد شوارزنيجر. لقد توصل الفيزيائيون إلى العديد من أنظمة التسمية لهم ، لكن الكواركات العلوية بأي اسم ستكون من نفس "النكهة" ، لذلك ميزت الفرق بينهما بتحويل الأحرف إلى اليمين أو اليسار. يمكننا تسميتها بأعلى اليسار وأعلى اليمين.
• تأتي جميع الجسيمات اليسرى في أزواج ، زوج واحد لكل جيل ، وتخضع لتأثير تفاعل الأيزوسبين. يتوافق الإلكترون مع النيوترينو-إي (إلكترون نيوترينو) ، الكوارك العلوي - الكوارك السفلي ، إلخ.
• الجسيمات على اليمين وحدها ، واحدة لكل جيل ، ولا يؤثر الأيزوسبين عليها.
• ترك نيوترينو فقط.
• في الشكل. 2 لاحظت النيوترينو -1 والنيوترينو 2 والنيوترينو 3 ، ولكن في الشكل. 3 أستخدم الأسماء إلكترون نيوترينو وميون نيوترينو وتاو نيوترينو. يمكن تجاهل هذه الدقة إذا لم تكن مهتمًا بالموضوع بعمق. خلاف ذلك ، يمكنك قراءة مقال عن أنواع النيوترينوات وتذبذبها.
• جميع الجسيمات المصورة ستكون بلا كتلة - باستثناء جزيئات هيجز ، التي ستصل إلى أربعة! (وهذا هو الحد الأدنى - في النموذج القياسي ، حيث يتم استخدام أبسط نسخة من حقول هيجز ، هناك أربعة منها ، ولكن من حيث المبدأ ، يمكن أن يكون كل شيء أكثر تعقيدًا).

كيف يؤثر حقل هيجز غير الصفر على هذا العالم الأبسط والأفضل تنظيماً (ولكنه غير مناسب للحياة) ، ويحوله إلى مجمعنا؟ الشيء هو كيف يتفاعل حقل هيجز مع حاملي تفاعلات الأيزوسبين والشحن المفرط ، ومع جزيئات المادة. يظهر كيفية عمل ذلك ، على سبيل المثال ، مع الكوارك العلوي ، في الشكل. 4 و 5. يتفاعل الكوارك الأيسر العلوي والكوارك الأيمن العلوي مع بعضهما البعض عن طريق التفاعل القوي وجسيم هيجز - ولكن ليس مع الجسيمات الأخرى للمادة. على وجه الخصوص ، إذا التقى الكوارك الأيسر العلوي بجسيم هيجز ، فمن المحتمل أن يتحول إلى أعلى اليمين. بمجرد أن يصبح حقل هيجز غير صفري ، سيؤدي هذا التفاعل إلى حقيقة أن نسختين من الكواركات العلوية الكبيرة لا تتحول إلى واحدة علوية ضخمة ضخمة ، والتي لها في نفس الوقت كتلة كبيرة.


التين. 4

لا ينبغي الخلط بين اتصال الجزء العلوي الأيسر مع الجزء العلوي الأيمن مع اتحاد جزيئين في جسم مركب ، مثل البروتون والإلكترون ، متصلين معًا بواسطة القوة الكهرومغناطيسية وتشكيل ذرة الهيدروجين. هذا هو نوع آخر من المزيج حيث يتم خلط جسيمين أوليين في جسيم أولي واحد.


التين. 5

كيف يعمل؟ في الشكل. يظهر 5 هذا الرسم التخطيطي. عندما يكون حقل هيجز صفرًا ، يتحرك الجسيم الأيسر العلوي بسرعة الضوء ، وكذلك الجزء العلوي الأيمن. ولكن عندما لا يكون الحقل مساويًا للصفر ، فإن وجوده وحقيقة أنه يتفاعل مع الجسيمات العلوية اليسرى والعليا اليمنى سيتسبب في تحول الجسيم الأيسر العلوي إلى أعلى اليمين ، والعكس صحيح. كم مرة سيحدث هذا؟ حوالي 100 تريليون تريليون (100،000،000،000،000،000،000،000،000،000) في الثانية. تجعل عملية التحويل هذه من المستحيل اعتبار الجسيمات العلوية اليسرى والعليا ككيانات منفصلة ، حيث أنها مرتبطة بشكل لا ينفصم ؛ إذا كان لديك واحد ، فسيظهر آخر قريبًا. لن يكون لديك كلاهما في نفس الوقت ، لماذا يظل الكوارك العلوي عنصرًا أوليًا بدلاً من جسيم مركب. معًا ، يمكن تسمية هذا الخليط المكون من جزأين بالكوارك العلوي. كما يوفر حقل هيجز غير الصفر ، الذي يجعل وجوده يقفز بين أعلى اليسار والحالات اليمنى العليا ، هذا الهيكل بالطاقة الداخلية ، والتي تتوفر حتى في حالة الراحة. هذه الطاقة لا يمكن تمييزها عن طاقة الكتلة (E = mc ² ) ؛ في التجارب ، تتصرف بنفس الطريقة تمامًا. وبعبارة أخرى ، ما نسميه طاقة كتلة الكوارك العلوي هو ، في الواقع ، الطاقة التي يتلقاها عندما يكون حقل هيجز داخل حقل غير صفري. خذ مجال هيجز ، واجعله صفرًا ، وسيعود الكوارك العلوي إلى حالة جزيئين منفصلين من الكتلة ، أعلى اليسار وأعلى اليمين.

نفس الظاهرة تعطي كتلة للإلكترون ، لكن تفاعل الإلكترونات اليسرى واليمنى مع مجال هيجز ضعيف جدًا ، لذلك ، في وجود مجال هيغرز غير صفري ، للإلكترون كتلة ، ولكنها صغيرة نسبيًا. تردد التحويل بين الإلكترونات اليسرى واليمنى هو 0.000003 من تردد التحويل بين الكواركات العلوية اليسرى والعليا اليمنى ، وبالتالي (تطبق بعض الرياضيات) نحصل على أن كتلة الإلكترون هي 0.000003 من كتلة الكوارك العلوي.


التين. 6

تستقبل كل الكواركات الأخرى واللبتونات المشحونة كتلها بطريقة مماثلة. كلما كان تفاعل الأجسام اليسرى واليمنى أقوى مع هيجز ، كلما زادت الكتلة الناتجة من الجسم المختلط مع حقل هيجز غير صفري.

ماذا عن ناقلات التفاعل؟ لا يؤثر Higgs على gluons ، ولكنه يمزج isospin و hypercharge ، مما يخلق الفوتون من خليط من W ³ و X ، Z ⁰ من خليط آخر من W ³ و X ، وجسيم هيجز يسمى A ⁰ ، وأيضًا W ⁺ و W من مخاليط W ¹ و W ² و H ⁺ و H ^- . هذه العملية ، التي تسمى آلية هيجز ، تجعل W ⁺ و W ^- و Z ⁰ ضخمة ، تاركة الفوتون بلا كتلة.

نعم ، هذا هو السبب في أن العالم الذي يحتوي على حقل هيجز غير صفري يبقى مع جسيم هيجز واحد (ح) ، في حين أن العالم ذو مجال الصفر يحتوي على 4 جسيمات - H ⁺ ، H ^- ، A ⁰ و H ⁰ . تمامًا مثلما يتم خلط الكواركات العلوية اليسرى والعليا اليمنى لتشكيل كتلة علوية ضخمة ، تمزج ثلاث جسيمات هيجز إضافية مع ثلاثة مخاليط من الجسيمات عديمة الكتلة W و X ، لتشكل Z Z و W ⁺ و W الضخمة!


التين. 7

إن التفاعل ، الذي يحمل حامله كتلة ، على مسافات طويلة غير فعال ، لذلك تبدو لنا القوى النووية ضعيفة للغاية. إذا كان حقل هيجز صفرًا ، فسيكون الإيزوسبين والشحن الزائد قويًا بنفس القدر. بدلاً من ذلك ، يوجد في عالمنا تفاعل كهرومغناطيسي قوي مع الفوتون عديم الكتلة كحامل ، وتفاعل نووي ضعيف ، ضعيف جدًا لدرجة أنه ليس له أي تأثير عمليًا على حياتنا اليومية - على الرغم من ذلك ، من الضروري تشغيل صناديق النار النجمية ، بما في ذلك الشمسية!

السبب في أن العالم يبدو معقدًا جدًا ، لأن كل هذه الجسيمات ذات الكتل المختلفة جدًا ، يرجع جزئيًا إلى حقيقة أن مجال هيجز وجزيء هيجز يتفاعلان مع جزيئات مختلفة من المادة بقوة مختلفة جدًا. لذا فإن مشكلة الكتل المتنوعة من الجسيمات هي في الواقع مشكلة نقاط القوة المختلفة للتفاعل مع مجال / جسيم هيجز. لماذا تختلف هذه التفاعلات؟ لا يوجد إجماع على الإجابة على هذا السؤال (يسميها خبراء فيزياء الجسيمات "مشكلة الرائحة" - يتحدثون عن روائح الكواركات والإلكترونات والميونات والليبتون المشحونة برائحة مختلفة). نأمل أن يتمكن المصادم LHC من تقديم بعض الإجابات - ولكن لا توجد ضمانات لذلك.

لا يزال هناك سؤال - كيف تحصل النيوترينو على كتلتها؟ الجواب هو أننا لا نعرف على وجه اليقين. من الصعب جدًا العثور على أحد الاحتمالات - وجود النيوترينوات اليمنى في الطبيعة - تجريبيًا ، حيث لا يتأثر بأي من التفاعلات الثلاثة الموضحة في الشكل. 2 و 3 - وآلية اكتساب كتلة النيوترينو هي نفسها آلية الجزيئات الأخرى. الاحتمال الثاني هو أن النيوترينوات اليسرى تتلقى كتلة من التفاعل غير المباشر مع جسيم هيجز ، والذي لا يعمل مع الجسيمات الأخرى. يميل العديد من زملائي نحو الخيار الثاني ، لأنه من الطبيعي أن يفسر لماذا تكون النيوترينوات أخف بكثير من الكواركات واللبتونات المشحونة. لكن هذه قصة طويلة.

سأنهي في نقطة مهمة. يقترح الكثير من الناس ، بعد أن تعرفوا أولاً على تاريخ مجال هيجز ، أنه يجب أن يكون مرتبطًا بطريقة ما بالجاذبية ، التي تتفاعل أيضًا مع الجسيمات الثقيلة بشكل أفضل من الجسيمات الأقل ثقلاً. تسحب الجاذبية الكواركات العلوية بقوة أكبر من الإلكترونات ، مثل قوى هيجز. لكن الفيزيائيين ذوي الخبرة يرفضون مثل هذه الفكرة. لماذا؟

خلاصة القول هي أنه لا توجد استثناءات للجاذبية - تجذب الجاذبية دائمًا الجسيمات بما يتناسب مع كتلتها. (في الواقع ، هذا ليس صحيحًا تمامًا - الجاذبية تجذب الجسيمات بشكل متناسب مع طاقاتها. في الحياة اليومية ، تكون طاقة أي جسم في الغالب طاقة الكتلة ، E = mc ² ، لذلك بالنسبة للأشخاص ، الأحجار والنجوم ، الطاقة والكتلة تكاد تكون النسبة الدقيقة ، لكن الجاذبية والانحناءات الضوئية! إذا اجتذبت الجاذبية الكتلة فقط ، فلن تجذب الضوء المكون من الفوتونات عديمة الكتلة).

على العكس من ذلك ، فقط الجسيمات التي تتلقى الكتلة من مجال هيجز لها علاقة بين كتلتها وقوة التفاعل مع هيجز. على وجه الخصوص ، كما يتبين من الشكل. 3 و 7 ، لا يتلقى جسيم هيجز كل كتلته من حقل هيجز غير الصفر - ولا ترتبط قوة تفاعله مع نفسه بشكل مباشر بكتلته. هناك ارتباط ، ولكن ليس نسبة. هذه ليست حالة نادرة. في مقالاتي الأخرى ، سترى العديد من الأمثلة على الجسيمات الافتراضية التي تحصل على كتلتها بطريقة مختلفة - على سبيل المثال ، الجسيمات التي تظهر في النظريات مثل التناظر الفائق أو القياسات الملتفة الإضافية.

لذا فإن العلاقة بين الجاذبية والطاقة (وبالتالي الكتلة في الحياة اليومية) هي علاقة مطلقة ، في حين أن العلاقة بين هيجز والكتلة يجب أن تكون موجودة فقط للجسيمات الأولية المعروفة ، وقد لا تكون في جسيمات أولية أخرى ، والتي ما زلنا يمكن العثور عليها - ولكن لم يعد هذا الاتصال مؤكدًا لجسيم هيجز.

وبعبارة أخرى ، فإن أي مصادفة بين مجال هيجز والجاذبية ستكون عشوائية بحتة!